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Produktentstehung
Digitaler
Zwilling
Digitale
Assistenzsysteme
Ökologische
Nachhaltigkeit

Im Projekt DiNaPro wurde der Digitale Zwilling als zentrales Datenobjekt und Datenschnittstelle zur Verwaltung aller relevanten Daten für ein Nachhaltigkeitsmonitoring weiterentwickelt. Das Konzept sieht vor, Daten von Produkten über den gesamten Produktlebenszyklus zu erheben, um eine ganzheitliche Betrachtung der Nachhaltigkeit zu ermöglichen. Mithilfe dieser Daten kann eine Ökobilanz in jeder Phase des Produktlebenszyklus durchgeführt werden und somit ist eine transparente Berechnung des produktspezifischen CO2-Fußabdrucks verfügbar. Die Integration von Nachhaltigkeitsanforderungen erfolgte bereits im Digitalen Master in der Produktentwicklung und setzte somit die Grundlage für Bilanzierungen entlang des Produktlebenszyklus. Digitale Zwillinge wurden in der Produktion sowie in der Nutzung und des EOL (End Of Life) gebildet, sodass ein integraler Ansatz verfolgt werden konnte. Durch die Rückführung von Daten aus den Instanzen der Digitalen Zwillinge konnte neues Wissen für die nächste Produktgeneration aggregiert werden. Die Entwicklung des Datenmodells war dabei eine der zentralen Aufgaben im Projekt. Innerhalb des Projekts wurden folgende Ziele umgesetzt:

  • Entwicklung des Datenmodells „Integraler Digitaler Zwilling“
  • Methodische Informationsrückführung und -integration

Digitale Assistenzsysteme bilden die Funktionsintegration für Methoden der nachhaltigen Produktentwicklung in die Entwicklungswerkzeuge. Diese Methoden tragen dazu bei, die Entscheidungsqualität an kritischen Punkten der Produktentstehung zu steigern. Relevante Informationen zur Auswirkung auf die ökologische Nachhaltigkeit sowie Vorschläge zu Minimierung des CO2-Fußabdrucks können durch die digitalen Assistenzsysteme bereitgestellt werden. Das Datenmodell des Digitalen Zwillings ist die Grundlage der Assistenzsysteme und ermöglicht somit ein datenbasiertes, individuelles Nachhaltigkeitscockpit in der Produktentstehung. Verschiedene Assistenzsysteme wurden exemplarisch an diversen Produktentstehungsphasen methodisch entwickelt – sowohl in den Lernfabriken der TU Darmstadt als auch bei unseren Industriepartnern. Innerhalb des Projekts wurden folgende Ziele umgesetzt:

  • Anwenderfreundliches Nachhaltigkeitsmonitoring
  • Datenbasierte Entscheidungsunterstützung

Der CO2-Fußabdruck ist aktuell die wichtigste Kennzahl zur Bestimmung der ökologischen Umweltauswirkungen von Unternehmen, aber auch von einzelnen Produkten. Der produktspezifische CO2-Fußabdruck ist dabei ein Teilergebnis der sogenannten Ökobilanz (DIN EN ISO 14040 bzw. 14044). Zur Durchführung der Ökobilanz ist es notwendig, alle Stoff- und Energieströme über den gesamten Lebenszyklus zu erfassen. Die Herausforderung besteht darin, alle notwendige Daten zur Verfügung zu haben, um eine Bilanzierung durchführen zu können. Gerade in der Produktentstehung sind diese Daten nicht ausreichend vorhanden und müssen prognostiziert werden. Zur Durchführung der Bilanzierung existieren eine Reihe von Methoden, Tools und Kennzahlen, die durch die unterschiedlichen Betrachtungsweisen verschiedene Ergebnisse der Ökobilanz liefern. Innerhalb des Projekts wurden folgende Ziele umgesetzt:

  • Gestaltungsrichtlinien zur Minimierung des CO2-Fußabdrucks von Produkten
  • Integration der Ökobilanz und des CO2-Fußabdrucks in der PE

Im Fokus des Projekts stand die Produktentstehung (PE). Die Phasen der PE im Produktlebenszyklus umfassten dabei die Produktplanung, Konstruktion und Produktion.

Infos zu den Projektschwerpunkten


Allgemeines

Projektbeschreibung

Projektergebnisse

Alle Projektergebnisse wurden umfangreich in einem Leitfaden aufbereitet. Der Leitfaden kann unter folgendem Link aufgerufen werden:

DiNaPro Leitfaden

Detaillierte Ergebnisse zu einzelnen Handlungsfeldern und Assistenzsystemen sind außerdem in unserer Publikationsliste zu finden. Eines der Ergenisse ist das Datenmodell für nachhaltigkeitsrelevante Daten, welches im Integralen Digitalen Zwilling genutzt wird und als Datenquelle für unsere digitalen Assistenzsysteme dient. Das Datenmodell steht zur freien Verfügung und kann je nach Anwendungsfall adaptiert werden. Das Datenmodell als UML Klassendiagramm und der Integrale Digitale Zwilling werden in der wissenschaftlichen Publikation "Using the Integral Digital Twin for Product Carbon Footprint calculation" beschrieben. Im Folgenden sind zwei Grafiken aus der Publikation zu sehen:

Schema des Intrgralen Digitalen Zwillings aus der Publikation "Using the Integral Digital Twin for Product Carbon Footprint calculation"


Datenmodell als UML Klassendiagramm zur Bestimmung des CO2-Fußabdrucks aus der Publikation "Using the Integral Digital Twin for Product Carbon Footprint calculation"

Die zunehmenden Anforderungen an die Nachhaltigkeit industrieller Prozesse rücken die Erfassung und Reduktion von CO2-Emissionen verstärkt in den Fokus bei der Entstehung neuer Produkte. In diesem Kontext spielen Werkzeuge wie digitale Assistenzsysteme eine Schlüsselrolle, um Transparenz zu schaffen, Optimierungspotenziale zu identifizieren und nachhaltige Strategien in die Praxis umzusetzen. Zu diesem Zweck wurde im Rahmen des Forschungsprojekts DiNaPro der Demonstrator LiBi3D – Live Bilanzierung in der Additiven Fertigung – als Grundlage entwickelt, um einen Transfer zwischen theoretischer Forschung und praktischer Anwendung zu ermöglichen. Durch den Demonstrator können nicht nur die Ergebnisse Forschungsprojekts validiert werden, sondern auch zentrale Erkenntnisse effektiv vermittelt und praktisch erlebbar gemacht werden. Einige wesentlichen Vorteile des Demonstrators sind:

Demonstrator LiBi3D im Forschungslabor des PLCM an der TU Darmstadt


Der Demonstrator zeigt, wie Ressourcenverbäuche einer Produktionsmaschine exemplarisch aufgenommen, verarbeitet und visualisiert werden können. Die Visualisierung kann auf unterschiedliche Art und Weise erfolgen, je nach Anwendungsfall. Um einen spielerischen Zugang zu Ressourcenverbräuchen und CO2-Äquivalenten zu erhalten, wurde eine Applikation entwickelt, die dazu genutzt werden kann, um jegliche Art von Ressourcenverbräuchen zu visualieren. Die Applikation kann unter hier getestet werden:

Applikation LiBi3D

Dort können verschiedenen Maschinen über deren IP-Adressen integriert werden. Es können Benutzerkonten erstellt werden, um die individuelle Eingabe zu speicheren. Aus den Daten lassen sich über Zeitstempel die Ressourcenverbäuche einzelner Produkte oder Batches generieren. Es sind Daten zur Demonstration des Applikation hinterlegt. Ein Bespiel eines Graphen mit Materialverbrauch (PLA) und Energieverbrauch (kWh) einzelner Komponenten sieht wie folgt aus. Die Verbräuche lassen sich als auch in gCO2e anzeigen, wenn die entsprechenden Umrechnungsfaktoren vorhanden sind.
Demovideo aus der Applikation LiBi3D


Konsortium

„Energieverbrauchsdaten sind bereits vorhanden, entscheidend ist es bei DiNaPro nun, einen Schritt weiter zu kommen und diese individuell zuordenbar zu machen.“

- Heidelberger Druckmaschinen AG

„Mit DiNaPro verfolgen wir einen ganzheitlichen Ansatz für eine ressourcenoptimierte Produktion. Wir ermöglichen Transparenz und gezielte Eingriffe im Sinne der Nachhaltigkeit und Umwelt.“

- GFT Integrated Systems GmbH

„Gerade die Entwicklung intuitiver Assistenzsysteme im SAP-Umfeld ist eine wichtige Aufgabe, da sich die Funktionalitäten des Climate 21-Programms bisher fast ausschließlich auf die Carbon Footprint Analytics beschränken.“

- DSC Software AG


Konsortialführer

Prof. Dr.-Ing. Benjamin Schleich
Product Life Cycle Management (PLCM)
L1 | 01 10
Otto-Berndt-Straße 2
64287 Darmstadt


Förderträger


Kontakt

Prof. Dr.-Ing. habil. Benjamin Schleich

schleich@plcm.tu-...
+49 6151 16-21791

L1|10 10
Otto-Berndt-Straße 2
64287 Darmstadt